Java Socket與Linux Socket底層調用分析

本文主要分析從Java Socket API到Linux Socket API的調用鏈，從而來探究Java Socket是如何利用Linux提供的系統調用來實現對應功能的。

Java Socket API示例代碼

首先給出一個利用Java Socket API編寫的簡易的Hello/Hi代碼示例。

 //服務端
 1 ServerSocket server = new ServerSocket(8000);
Socket client = server.accept();
InputStream in = client.getInputStream();
byte[] bytes = new byte[1024];
int len = in.read(bytes);
String data = new String(bytes, 0 , len);
System.out.println("接收客戶端消息：" + data);

OutputStream out = client.getOutputStream();
out.write("Hi".getBytes());
client.close();

 //客戶端
 1 Socket client = new Socket("localhost", 8000);
OutputStream out = client.getOutputStream();
String msg = "Hello";
out.write(msg.getBytes());

InputStream in = client.getInputStream();
byte[] bytes = new byte[1024];
int len = in.read(bytes);
String s = new String(bytes, 0, len);
System.out.println("接收服務端響應信息：" + s);
client.close();

 

服務端創建及接收連接

Socket服務端通過調用ServerSocket構造函數來進行創建並調用accept來接收客戶端的連接請求。

創建

通過源碼調試我們可以發現，在ServerSocket的構造函數中，調用了ServerSocket的bind方法。在bind方法中獲取了AbstractPlainSocketImpl對象並調用了該對象兩個重要的方法bind和listen。分別在AbstractPlainSocketImpl的bind和listen方法中，調用到了native方法socketBind和socketListen。為了搞清楚這兩個native方法到底使用了哪些個Linux系統調用來實現功能，我們繼續查閱了jdk中提供的native方法源碼，在native/java/net/PlainSocketImpl.c中可以找到方法Java_java_net_PlainSocketImpl_socketBind和Java_java_net_PlainSocketImpl_socketListen。在方法Java_java_net_PlainSocketImpl_socketBind中可以清楚看到調用了NET_Bind來進行綁定，而NET_Bind實現在native/java/net/net_util_md.c，最終通過系統調用bind來進行綁定。在方法Java_java_net_PlainSocketImpl_socketListen中也可以看到調用了JVM_Listen來進行端口監聽，而JVM_Listen實現在jvm.c，簡單地調用了listen系統調用來進行監聽。下圖為服務端創建過程的大致調用流程。

 

連接接收

serverSocket調用accept來進行等待接收連接。其內部調用鏈與創建類似，即在implAccept方法調用過程中，獲取了AbstractPlainSocketImpl對象並調用了該對象的accept方法，在AbstractPlainSocketImpl的accept方法中，進一步調用了native方法socketAccept。在native/java/net/PlainSocketImpl.c中可以找到該native方法的具體實現為Java_java_net_PlainSocketImpl_socketAccept，其中進一步調用了linux_close.c中的NET_Accept方法，並最終調用了系統調用accept來進行等待接收連接。

 

客戶端創建

客戶端的創建與服務端的創建相比較為簡單。在Socket的構造函數中，如果我們指定了本地的InetAdress和localPort則會先調用bind方法來對指定端口進行綁定，具體bind過程與上述服務端bind過程類似。但是通常我們並不會客戶端的本地地址進行指定，所以並不會執行bind過程，而是直接進行connect過程。在Socket的connect方法中，首先也會獲取AbstractPlainSocketImpl對象並調用該對象的connect，然后調用到native方法socketConnect。按照上述的jdk native分析過程，我們可以查到socketConnect的調用鏈（括號外為方法，括號內為文件），Java_java_net_PlainSocketImpl_socketConnect(PlainSocketImpl.c)->NET_Select(linux_close.c)->select(sys_call)

 

數據讀寫

不管是客戶端還是服務端都可能會需要進行數據的讀寫，其實現方式是相同的。

數據讀

Java Socket直接通過獲取SocketInputStream，調用read方法來進行數據讀入。read方法進而調用了socketRead，在socketRead方法中又調用了native方法socketRead0。native方法socketRead0的實際實現為native/java/net/SocketInputStream.c中的Java_java_net_SocketInputStream_socketRead0，該方法繼而又調用了linux_close.c中的NET_Read，最終調用了系統調用recv來進行數據讀入。

數據寫

Java Socket直接通過獲取SocketOutputStream，調用write方法來進行數據寫入。write方法進而調用了socketWrite，在socketWrite方法中又調用了native方法socketWrite0。native方法socketWrite0的實際實現為native/java/net/SocketOutputStream.c中的Java_java_net_SocketOutputStream_socketWrite0，該方法繼而又調用了linux_close.c中的NET_Send，最終調用了系統調用send來進行數據寫入。

 

關閉

當通訊雙方通訊結束時，需要關閉socket。在Java代碼中可以直接調用Socket的close來進行關閉。Socket的close方法會進一步調用AbstractPlainSocketImpl的close方法，繼而調用native方法socketClose0。可在jdk提供的native源碼中找到該native方法的調用鏈，Java_java_net_PlainSocketImpl_socketClose0(PlainSocketImpl.c)->NET_SocketClose(linux_close.c)->closefd(sys_call).